基于雙向梯度法的陣風(fēng)鋒自動(dòng)識(shí)別

基于雙向梯度法的陣風(fēng)鋒自動(dòng)識(shí)別

陣風(fēng)鋒識(shí)別算法通常，強(qiáng)風(fēng)暴或線時(shí)，單光束向上推進(jìn)，并沿水平方向移動(dòng)，通常會(huì)形成波束矩陣。當(dāng)矩陣前面的輻射線達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，它被稱為矩陣前線。由于雷達(dá)速度回波圖中的強(qiáng)風(fēng)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)風(fēng)峰顯示為窄帶回波，因此在雷達(dá)氣象學(xué)中也被稱為窄帶回波。風(fēng)暴中的強(qiáng)烈出流不僅溫度低而且具有較高的水平動(dòng)量,故陣風(fēng)鋒常引起氣壓突變、風(fēng)向突變、風(fēng)速突變、溫度急降和相對濕度上升等強(qiáng)烈天氣現(xiàn)象。一般情況下陣風(fēng)鋒不伴隨有降水發(fā)生,但常常造成嚴(yán)重的地面風(fēng)災(zāi)和強(qiáng)烈的風(fēng)切變,因此,對陣風(fēng)鋒的研究已成為短時(shí)臨近預(yù)報(bào)關(guān)注的重點(diǎn)之一。目前,國內(nèi)外對陣風(fēng)鋒的研究較多側(cè)重于陣風(fēng)鋒的形成機(jī)制探討和天氣過程分析,Simpson國外較早開展陣風(fēng)鋒識(shí)別算法研究,美國聯(lián)邦航空局(FAA)機(jī)場多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)(TDWR)通過對徑向速度輻合線識(shí)別,并結(jié)合反射率因子和方位角切變形成了陣風(fēng)鋒探測算法目前,陣風(fēng)鋒識(shí)別算法尚未成熟,識(shí)別效果不甚理想,國內(nèi)布網(wǎng)的多普勒天氣雷達(dá)用戶終端尚未開發(fā)出陣風(fēng)鋒的識(shí)別產(chǎn)品,本文基于對雷達(dá)原始基數(shù)據(jù)進(jìn)行一定質(zhì)量控制,充分利用強(qiáng)度場窄帶回波的結(jié)構(gòu)特征、幾何特征,設(shè)計(jì)了雙向梯度算法來識(shí)別窄帶回波;在速度場中通過徑向輻合來識(shí)別風(fēng)的突變;最后綜合雙向梯度和切變輻合得到結(jié)果,確定出陣風(fēng)鋒的準(zhǔn)確位置。文中還利用河南商丘、鄭州及安徽阜陽3個(gè)雷達(dá)站探測的陣風(fēng)鋒98個(gè)體掃資料,結(jié)合地面自動(dòng)氣象站要素資料對本文的識(shí)別算法進(jìn)行效果檢驗(yàn),并利用臨界成功指數(shù)進(jìn)行了效果評估。1數(shù)據(jù)平滑控制多普勒天氣雷達(dá)能夠獲得較高時(shí)間和空間分辨率的體掃數(shù)據(jù)。但在陣風(fēng)鋒識(shí)別前,必須先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的質(zhì)量控制,避免后續(xù)工作引起較大的估算誤差和錯(cuò)誤,也有利于提高算法的準(zhǔn)確性。本文對強(qiáng)度數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制包括強(qiáng)度數(shù)據(jù)的填補(bǔ)、噪聲濾除和數(shù)據(jù)平滑。數(shù)據(jù)填補(bǔ)是針對單個(gè)缺值點(diǎn)或者單個(gè)缺測徑向;噪聲濾除主要針對孤立點(diǎn)和奇異點(diǎn)的濾除;數(shù)據(jù)平滑采用3X3網(wǎng)格的中值濾波。對速度數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制包括速度數(shù)據(jù)的填補(bǔ)(處理同強(qiáng)度數(shù)據(jù))、數(shù)據(jù)平滑和速度退模糊,數(shù)據(jù)平滑為沿徑向進(jìn)行九點(diǎn)滑動(dòng)平均;速度退模糊的方法類似于WSR＿88D雷達(dá)的處理算法,即根據(jù)連續(xù)性原則,將每個(gè)速度初猜值與其周圍的相鄰速度值相比較,先計(jì)算平均值,用相同徑向上(靠近雷達(dá))的4個(gè)鄰近距離庫的速度值和緊鄰的已用算法處理過的前一個(gè)徑向上的5個(gè)距離庫的速度值計(jì)算平均速度,然后將正在進(jìn)行退模糊處理的距離庫的第1猜速度與這個(gè)平均值作比較。如果其差值大于最大可測速度,那么該點(diǎn)的可替代值為第1猜測速度減去(或加上)2倍的最大可測速度,如果該可替代值大于最大可測速度,去除該點(diǎn),否則,保留該點(diǎn)。經(jīng)過質(zhì)量控制后,強(qiáng)度場圖像中的窄帶特征更加顯著,輪廓更加分明(噪聲被濾除、缺測點(diǎn)和缺測徑向數(shù)據(jù)被補(bǔ)齊、窄帶回波周圍的毛糙點(diǎn)被濾除);速度場圖像中陣風(fēng)鋒對應(yīng)的輻合(切變)區(qū)域更加清晰規(guī)整(噪聲被濾除、缺測點(diǎn)和缺測徑向被補(bǔ)齊、徑向數(shù)據(jù)被平滑、速度模糊區(qū)域被糾正)。因此,可以說明一定的質(zhì)量控制對實(shí)現(xiàn)陣風(fēng)鋒識(shí)別是有利的,可為后續(xù)算法準(zhǔn)確識(shí)別打下基礎(chǔ)。2徑向速度值的脈動(dòng)范圍陣風(fēng)鋒在速度圖上表現(xiàn)為徑向速度的輻合(切變),可以分為風(fēng)向切變和風(fēng)速輻合兩種情況,這兩種情況的徑向速度都在鋒線附近有明顯變化。第1種是徑向速度的風(fēng)向表現(xiàn)為由正速度向負(fù)速度的轉(zhuǎn)變,第2種是徑向速度的速度值表現(xiàn)為由較高的值向較低的值轉(zhuǎn)變。在鋒線兩側(cè),兩種情況對應(yīng)的速度值均呈一致減小,因此,根據(jù)該特征,首先沿著徑向距離遞增的方向?qū)ふ覐较蛩俣戎颠B續(xù)減小的一組相鄰距離庫,可得到一維的輻合段。但考慮到雷達(dá)接收到的速度數(shù)據(jù)有很大的脈動(dòng)性,在經(jīng)過徑向上九點(diǎn)滑動(dòng)平均之后,相鄰兩個(gè)距離點(diǎn)上的速度大小仍很難代表某一段距離上速度的增加和減少的趨勢;因此,對徑向上的每一個(gè)點(diǎn)(指有速度資料的點(diǎn))都計(jì)算一個(gè)輻合(切變)參量S式(1)中,V為了描述每個(gè)輻合段的強(qiáng)度,計(jì)算了如下物理量:速度梯度g=(v動(dòng)量f=(v所在方位az;(4)徑向中心s=(re+r式(2)～(5)中,vb表示輻合段起點(diǎn)處的徑向速度;u3窄帶回波的保留陣風(fēng)鋒在強(qiáng)度場上表現(xiàn)為細(xì)長的帶狀,通常稱之為窄帶回波。天氣雷達(dá)探測到的陣風(fēng)鋒常常出現(xiàn)在低仰角層,回波高度一般不超過3km,強(qiáng)度一般為10～35dBZ,更高的強(qiáng)度通常是降水粒子的貢獻(xiàn),不代表陣風(fēng)鋒回波的真實(shí)強(qiáng)度。本文先對所有回波強(qiáng)度值進(jìn)行分級處理,即將強(qiáng)度值按遞增劃分成若干個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間用該區(qū)間最高值代替。如表1所示,其中-999代表無效值。因雷達(dá)圖像在繪制時(shí),是將不同區(qū)間的反射率因子值用特定的色標(biāo)表示,分類后的強(qiáng)度場的回波值雖然被改變,但所屬區(qū)間并未改變,即顏色不發(fā)生變化,所以分級處理前后的圖像完全相同,圖像保持了原有特征,因此可用分級后的強(qiáng)度場代替原始強(qiáng)度場作為窄帶回波的識(shí)別算法的處理對象。窄帶回波一般出現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)暴回波移動(dòng)方向的前沿,與強(qiáng)風(fēng)暴回波之間存在一定間距,不同階段間距不等。在初始階段,窄帶離母體風(fēng)暴較近,隨著母體風(fēng)暴的發(fā)展,窄帶與母體逐步分離,它們之間的距離越來越大,且窄帶回波的強(qiáng)度較其前后方一般要高5dBZ或以上。利用這個(gè)特點(diǎn)本文通過計(jì)算每個(gè)回波點(diǎn)的雙向梯度來保留線狀的回波,如圖2所示,點(diǎn)O代表當(dāng)前所要計(jì)算的回波點(diǎn),點(diǎn)A,B為與O同根徑向相距5個(gè)距離庫的點(diǎn)(考慮一般的窄帶回波寬度<10km),點(diǎn)C,D為與O同距離圈相距5個(gè)方位的點(diǎn),R(O),R(A),R(B),R(C),R(D)為對應(yīng)點(diǎn)處的反射率因子值。計(jì)算了如下兩個(gè)方向的梯度,橫向梯度:縱向梯度:對兩個(gè)梯度進(jìn)行判斷:當(dāng)G實(shí)際工作中無法得知窄帶回波與徑向線的夾角,因此在具體算法中設(shè)計(jì)了12個(gè)不同夾角的模型,即每隔15°建立1個(gè)模型。經(jīng)過雙向梯度處理后的強(qiáng)度場大部分降水回波被濾除,窄帶回波被完整保留,但圖像中仍然存在若干短線。為了去除這些短線,先將圖像細(xì)化,即只保留每個(gè)強(qiáng)度段的中心點(diǎn)(強(qiáng)度段是指從雷達(dá)站沿徑向穿越某一回波內(nèi)部的段稱為強(qiáng)度段),并記錄下段寬,隨后利用遞歸算法計(jì)算每根短線的長度,將不滿足長度閾值的短線濾除。在此過程中保存每個(gè)有效點(diǎn)的方位角和徑向庫數(shù)。最后只保留一定長度的短線(閾值可調(diào)),并利用先前記錄的段寬還原成帶狀,形成最終的窄帶回波識(shí)別圖像。4鋒線的定位理論上,同一條陣風(fēng)鋒的窄帶回波和輻合線(切變線)在空間上是完全對應(yīng)的,但從實(shí)際得到的陣風(fēng)鋒回波圖中會(huì)發(fā)現(xiàn),窄帶回波和輻合線(切變線)往往只有大部分重合,甚至?xí)霈F(xiàn)基本不重合的情況。因此,為了較為完整地定位出鋒線,本文將識(shí)別的窄帶回波和輻合線(切變線)綜合,即某點(diǎn)對應(yīng)位置處在窄帶回波圖像或輻合線圖像中有一方存在有效值,則保留該點(diǎn),作為鋒線中的一點(diǎn)。再次,將綜合得到的圖像細(xì)化,并去除不滿足長度閾值的短線(方法如強(qiáng)度場),保留下來的線為最終識(shí)別的鋒線。在實(shí)際業(yè)務(wù)中,預(yù)報(bào)員更關(guān)心陣風(fēng)鋒在速度場引起的風(fēng)切變,因此為了定量描述陣風(fēng)鋒的強(qiáng)度,將如下物理量作為輸出:鋒區(qū)最大正徑向速度V鋒線上最大徑向速度(單位:m·(s·km)鋒線長度:其中,V5算法效果檢驗(yàn)利用2009年6月3日河南商丘、鄭州和2009年6月5日安徽阜陽3個(gè)雷達(dá)站探測到的陣風(fēng)鋒雷達(dá)資料對本文的識(shí)別算法進(jìn)行效果檢驗(yàn),并利用臨界成功指數(shù)對98個(gè)體掃樣本的識(shí)別效果進(jìn)行評估。5.1氣象變化影響2009年6月3日陣風(fēng)鋒于10:00左右開始影響鄭州站,10:00—13:00測站記錄表明,氣溫逐漸下降7.5℃,氣壓上升4hPa,2min平均風(fēng)速從4.6m·s5.2算法未識(shí)別陣風(fēng)鋒2009年6月3日從鄭州雷達(dá)上可初次判斷出陣風(fēng)鋒的時(shí)刻為11:07,11:13在雷達(dá)站東南測開始可以看到弱小的窄帶回波(如圖3所示),對應(yīng)速度場中有輻合線,但位置較窄帶回波偏西,算法成功識(shí)別出了陣風(fēng)鋒;11:19—11:44窄帶回波較窄,數(shù)據(jù)密度不夠,輻合線消失,算法未能識(shí)別出陣風(fēng)鋒;11:50—13:21窄帶回波加強(qiáng),輻合線重新出現(xiàn)并進(jìn)一步加強(qiáng),算法均成功識(shí)別出陣風(fēng)鋒;13:27—13:33陣風(fēng)鋒處于消亡階段,窄帶回波和輻合線出現(xiàn)斷裂并逐漸消失,算法未能識(shí)別出消亡時(shí)刻的陣風(fēng)鋒。商丘雷達(dá)在12:32—15:46也觀測到了陣風(fēng)鋒(如圖4所示),12:32窄帶回波較弱且與前端回波混雜,表現(xiàn)得并不明顯,速度場中出現(xiàn)了輻合線,但由于部分輻合線與徑向線平行,因此所識(shí)別的鋒線較短。13:08窄帶回波的強(qiáng)度值不統(tǒng)一,大部分為20dBZ(歸類后),但內(nèi)部為25dBZ,影響了窄帶回波識(shí)別。此外,速度場中輻合線基本與徑向平行,輻合線也未能成功識(shí)別。13:14—15:22窄帶回波和輻合線加強(qiáng),均表現(xiàn)得較為明顯,算法均成功識(shí)別出陣風(fēng)鋒。算法識(shí)別的過程中出現(xiàn)了偏短的情況,主要有兩個(gè)原因:首先由于雙向梯度法與窄帶回波到母體回波之間的間距大小密切相關(guān),當(dāng)窄帶回波有一段與母體回波相連時(shí),窄帶回波識(shí)別將受到一定影響,但一般該相連段也較短或僅限于陣風(fēng)鋒初生階段;其次由于本文輻合線的識(shí)別子算法基于徑向,當(dāng)輻合線與徑向線近似平行時(shí),輻合線將無法識(shí)別,但該情況較少出現(xiàn)。圖5給出了2009年6月5日安徽阜陽雷達(dá)探測到的陣風(fēng)鋒3個(gè)時(shí)次識(shí)別圖,該過程陣風(fēng)鋒初始時(shí)刻為11:05,11:05-12:25窄帶回波與降水回波嚴(yán)重混雜,輻合線偏弱或與徑向近似平行,算法未能識(shí)別出陣風(fēng)鋒;12:31—14:39窄帶回波和輻合線加強(qiáng),算法均成功識(shí)別出陣風(fēng)鋒;14:45—14:51陣風(fēng)鋒處于消亡階段,窄帶回波和輻合線斷裂并逐漸消亡,算法失效。5.3成功識(shí)別與未識(shí)別的樣本數(shù)本文選取這3個(gè)雷達(dá)站探測到的98個(gè)陣風(fēng)鋒體掃描樣本(從鋒線初生到消亡),其中,商丘33個(gè),鄭州25個(gè),阜陽40個(gè),算法識(shí)別情況如表2所示。商丘陣風(fēng)鋒過程成功識(shí)別的樣本數(shù)為26個(gè),未能識(shí)別的樣本數(shù)為7個(gè);鄭州陣風(fēng)鋒過程成功識(shí)別的樣本數(shù)為17個(gè),未能識(shí)別的樣本數(shù)為8個(gè);阜陽陣風(fēng)鋒過程成功識(shí)別的樣本數(shù)為24個(gè),未能識(shí)別的樣本數(shù)為16個(gè);3個(gè)站探測的陣風(fēng)鋒資料誤識(shí)別樣本數(shù)均為0。利用臨界成功指數(shù)I其中,x為有陣風(fēng)鋒且成功識(shí)別的樣本數(shù),y為有陣風(fēng)鋒但未能識(shí)別的樣本數(shù),z為無陣風(fēng)鋒但誤識(shí)別為陣風(fēng)鋒的樣本數(shù)。算法對98個(gè)樣本的臨界成功指數(shù)達(dá)到了0.684,成功識(shí)別率為68.4%,表明本方法對陣風(fēng)鋒識(shí)別效果較好(表3)。6回波邊界評估本文在對天氣雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)進(jìn)行一定質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上,根據(jù)陣風(fēng)鋒在強(qiáng)度場和速度場所表現(xiàn)的回波特征和幾何特征,通過識(shí)別窄帶回波和輻合線(切變線)實(shí)現(xiàn)陣風(fēng)鋒的識(shí)別,最后利用3個(gè)雷達(dá)站探測的陣風(fēng)鋒資料,對識(shí)別算法進(jìn)行效果檢驗(yàn),并利用臨界成功指數(shù)進(jìn)行評估。得到如下結(jié)論:1)根據(jù)窄帶回波與母體回波的間隔,且窄帶回波強(qiáng)度較前后高5dBZ或以上,提出了雙向梯度法,該方法可以有效濾除大范圍降水回波而保留窄帶回波。2)結(jié)合組合反射率因子產(chǎn)品,